Tag 1: Die erste LED

Heute baust du das Fundament für alle 24 Tage: eine saubere 5-V-Versorgung auf dem Steckbrett. Aus der 9-V-Batterie macht ein Spannungsregler genau 5 Volt, und daran leuchten zum Schluss drei LEDs in Rot, Gelb und Grün. Die Versorgung bleibt bis Heiligabend stecken. Was du heute sorgfältig baust, musst du nie wieder anfassen.

Das brauchst du

Aus dem Tütchen:

• 1 × Batterieclip für den 9-V-Block (rotes und schwarzes Kabel mit Steckstiften fürs Steckbrett)
• 1 × Spannungsregler 7805 (drei Beine; im Kalender ein MC7805 von onsemi)
• 2 × Keramikkondensator 100 nF (klein, meist mit dem Aufdruck „104")
• 3 × LED: rot, gelb, grün
• 3 × Widerstand 470 Ω (Farbringe gelb – violett – braun)

Aus dem Karton: Steckbrett und Kabelset. Von dir: eine 9-V-Blockbatterie.

So sieht der Inhalt von Tütchen 1 aus.

Das Steckbrett

Auf dem Steckbrett wird nichts gelötet: Du steckst die Bauteile in die Löcher, darunter sitzen Federkontakte, die bestimmte Löcher miteinander verbinden. Wer weiß, welche das sind, hat die halbe Miete.

• Fünferreihen: Das Mittelfeld besteht aus kurzen Reihen zu je fünf Löchern. Die fünf Löcher einer Reihe sind miteinander verbunden, sonst nichts. Alles, was in derselben Fünferreihe steckt, ist elektrisch ein Punkt.
• Mittelgraben: Die Rinne in der Mitte trennt die Fünferreihen der oberen und der unteren Hälfte. Genau über diesen Graben setzt du später die ICs, damit jedes Bein seine eigene Reihe bekommt.
• Schienen: An beiden Längsseiten laufen je zwei lange Reihen, rot (+) und blau (−) markiert. Sie gehen über das ganze Brett. Hier verteilst du +5 V und Masse. Masse ist der Minuspol der Versorgung, der gemeinsame Bezugspunkt mit 0 V: Alle Spannungen in den Anleitungen sind gegen Masse gemessen.
• Geteilte Schienen: Bei vielen Steckbrettern sind die Schienen in der Mitte unterbrochen, oft erkennbar an einer Lücke in der roten und blauen Linie. Verbinde deshalb die beiden Hälften jeder Schiene mit einer kurzen Drahtbrücke. Und damit beide Seiten des Bretts versorgt sind, verbinde auch die obere mit der unteren Schiene: rot mit rot, blau mit blau.
• Neues Brett geht streng: Knickt ein dünnes Bein um, stich das Loch erst mit dem Stift eines Dupont-Kabels vor und fass das Bein kurz über dem Brett.
• Lange Beine kürzen: Mit einem Seitenschneider kannst du die Beine kürzen, dann liegen die Bauteile flach und übersichtlich. Bei LEDs das lange Bein länger lassen, sonst weißt du später nicht mehr, wo Plus ist.

Gleich gefärbte Löcher sind innen verbunden. Grün und orange: je eine Fünferreihe, lila: ein IC über dem Graben, rot und blau: die Schienen.

Schaltplan

Links die Versorgung: Batterie, Regler MC7805 und zwei 100-nF-Kondensatoren. Rechts drei LEDs mit je eigenem Vorwiderstand an der 5-V-Schiene.

Aufbau Schritt für Schritt

Die Batterie bleibt ab, bis alles gesteckt ist.

1. Schienen verbinden. Brücke die Lücken in der Mitte der Schienen (falls dein Brett welche hat) und verbinde rote mit roter, blaue mit blauer Schiene auf der anderen Seite.
2. Regler einsetzen. Halte den MC7805 so, dass die beschriftete, flache Seite zu dir zeigt. Dann ist links der Eingang (Pin 1), in der Mitte Masse (Pin 2), rechts der Ausgang (Pin 3). Steck ihn in der Nähe der Schienen so ein, dass jedes Bein in einer eigenen Fünferreihe sitzt, aber nicht in die äußerste Lochreihe, sondern zwei Löcher weiter innen. Dann bleiben hinter dem Regler Löcher frei für die Drähte zu den Schienen.
3. Masse. Verbinde die Reihe des mittleren Beins mit der blauen Schiene.
4. Ausgang. Verbinde die Reihe des rechten Beins mit der roten Schiene. Die rote Schiene führt ab jetzt +5 V, die blaue Masse (0 V).
5. Eingangskondensator. Steck einen 100-nF-Kondensator mit einem Bein in die Reihe des linken Reglerbeins (Eingang), mit dem anderen in die blaue Schiene. Keramikkondensatoren haben keine Polung, die Richtung ist egal.
6. Ausgangskondensator. Den zweiten 100 nF von der Reihe des rechten Reglerbeins (Ausgang) zur blauen Schiene, so nah am Regler wie möglich.
7. Batterieclip. Das rote Kabel kommt in die Reihe des linken Reglerbeins (Eingang), nicht in die rote Schiene. Das schwarze Kabel kommt in die blaue Schiene.
8. LEDs. Für jede der drei LEDs: Ein Widerstand 470 Ω geht von der roten Schiene in eine freie Fünferreihe. In dieselbe Reihe kommt das lange Bein (Anode) der LED. Das kurze Bein (Kathode) steckt in einer anderen Reihe, und von dort führt ein Draht zur blauen Schiene, oder du steckst es direkt in die blaue Schiene, wenn die LED nah genug dran sitzt. Die kurzen Beine aller drei LEDs dürfen sich auch eine Reihe teilen, alle gehen an Masse. Die Kathode erkennst du auch an der abgeflachten Stelle am Rand der LED.
9. Kontrolle, dann Batterie. Prüf noch einmal: rotes Clipkabel am Eingang, nicht an der Schiene. Dann den 9-V-Block auf den Clip drücken.

Was passiert

Alle drei LEDs leuchten, aber nicht gleich hell, obwohl jede den gleichen Widerstand hat. Wie stark die Unterschiede sind, hängt von den LEDs ab: Bei vielen Sätzen wirkt Grün oder Gelb deutlich anders als Rot.

Der Regler bleibt kalt. Fass ihn ruhig einmal an.

Warum

Die LED braucht einen Vorwiderstand. Eine Leuchtdiode (LED, light-emitting diode) leitet erst ab ihrer Durchlassspannung \(U_F\) (forward voltage), bei Rot etwa 1,9 V. Darüber steigt ihr Strom extrem steil an. Ohne Bremse würde sie an 5 V so viel Strom ziehen, dass sie in Sekunden stirbt. Der Vorwiderstand \(R\) übernimmt den Rest der Spannung und legt damit den Strom fest:

mit der Versorgungsspannung \(U\) = 5 V. Eine 5-mm-LED verträgt typisch 20 mA, wir bleiben also weit darunter. Das reicht trotzdem für ein klares Leuchten.

Warum verschieden hell? Grün und Gelb brauchen eine etwas höhere Durchlassspannung als Rot. Beim gleichen Widerstand bleibt für sie weniger Spannung übrig, also fließt etwas weniger Strom. Das ist allerdings nur ein Teil der Erklärung: Die Ströme unterscheiden sich lediglich um rund 10 %. Mindestens genauso viel macht aus, wie viel Licht das Halbleitermaterial der jeweiligen Farbe aus dem Strom macht und wie empfindlich dein Auge für die Farbe ist. An Tag 7 rechnest du den Vorwiderstand selbst aus und spielst mit der Helligkeit.

Warum ein Spannungsregler? Eine 9-V-Batterie hat frisch eher 9,5 V und sinkt beim Entladen auf 7 V und weniger. Die Logik-ICs der nächsten Wochen wollen aber 5 V, mit höchstens 10 % Abweichung. Der 7805 ist ein Linearregler: Er hält am Ausgang 5 V konstant, egal, was die Batterie gerade liefert. Den Überschuss verheizt er. Bei 9 V Eingang und rund 20 mA Strom sind das

mit der Verlustleistung \(P\), der Eingangsspannung \(U_\text{ein}\) und der Ausgangsspannung \(U_\text{aus}\). Das spürst du nicht. Damit der Regler regeln kann, braucht er am Eingang etwa 2 V mehr, als er ausgibt. Unter rund 7 V Batteriespannung wird es also knapp, dann ist es Zeit für einen neuen Block.

Und die beiden 100 nF? Ein Regler ist innen ein Verstärker mit Rückkopplung. Ohne kleine Kondensatoren direkt an seinen Beinen kann er zu schwingen anfangen, besonders mit langen Zuleitungen wie dem Batterieclip. Der Kondensator am Ausgang fängt außerdem schnelle Stromspitzen ab, wie sie später die ICs beim Umschalten ziehen. Beide gehören deshalb so nah wie möglich an den Regler.

Wenn es nicht klappt

• Keine LED leuchtet: Batterie leer oder Clip nur halb aufgesteckt? Rotes und schwarzes Kabel vertauscht? Steckt der Regler verkehrt herum (beschriftete Seite zu dir)?
• Eine einzelne LED bleibt dunkel: Sie steckt verkehrt herum, das lange Bein muss zum Widerstand. Umdrehen schadet ihr nicht.
• LEDs auf einer Seite des Bretts gehen, auf der anderen nicht: Die Schienen sind in der Mitte geteilt. Brücke die Lücke.
• Der Regler wird heiß: Sofort Batterie ab. Meist steckt das rote Clipkabel direkt an der 5-V-Schiene, oder Ausgang und Masse sind über einen Draht kurzgeschlossen.

Ausblick auf morgen

Die Versorgung bleibt ab jetzt stecken. Lass die grüne LED mit ihrem Widerstand als Betriebsanzeige an der Schiene: Leuchtet sie, ist Strom da. Rot und Gelb darfst du herausnehmen. Morgen kommt etwas in die Schaltung, das du mit dem Finger bedienst.

Mehr dazu

• LED-Vorwiderstand berechnen mit Rechner
• LED: Lichtemission am pn-Übergang: warum jede Farbe ihre eigene Durchlassspannung hat
• Keramikkondensator: was hinter „104" steckt
• Innenwiderstand: reale Spannungsquellen: warum die Batteriespannung unter Last sinkt

Übersicht · Tag 2 →